交通信号灯控制电路的设计正文12.docx
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交通信号灯控制电路的设计正文12
摘要
本系统由AT89C5I单片机.键盘.LED显示.交通灯演示系统组成。
系统包括人行道.左转.右转.以及基本的交通信号灯的功能，系统除基本的交通信号灯功能外，还具有倒计时.时间设置.紧急情况处理.分时段调整信号灯的点亮时间以及根据手动控制等功能。
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人.车路三者之间关系的协调，已成为交通管理.部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测交通信号灯控制与交通疏导的计算综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
关键词交通信号灯：
单片机：
控制器
2.1.1设计任务
2.1.2基本要求
2.2方案前言
1.1.2课题意义
1.2发展史
2总体方案
2.1系统任务
选取
2.2.1设计的基础依据
2.2.2方案比较
2.2.3方案确定
2.3系统可行性
3系统设计
3.1系统结构框图
3.2系统工作原理
3.3系统各功能模块
3.3.1状态控制器
3.3.2状态译码器
3.3.3定时及显示系统
3.3.4秒信号产生器
3.4系统电路原理图
4系统电路板装配与焊接
4.1引言
4.2装配电路板
4.2.1双列直插式集成电路的安装
4.2.2元器件的装插
4.3焊接
4.3.2有机注塑元件的手工焊接
4.3.1焊锡必须具备的条件
4.3.3其它元件的焊接
5系统性能调试
6系统常见故障分析
7使用说明
7.1概述
7.2器件检查
7.3注意事项
7.4基本功能
7.5操作说明
8系统设计展望
9毕业设计总结
致谢
结束语
参考文献
前言
随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道具体情况路交通超负荷运行的情况。
因此，自80年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。
而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。
正文
本课题是设计一个交通信号灯控制电路，通过本设计了解掌握交通信号灯控制电路的工作原理，进而研究电子产品设计的技术方法。
通过对交通信号灯控制电路的设计、安装与调试，熟练掌握各种电子测量仪器、仪表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元电路的工作原理、电路形式、调试方法、整机电路统调技巧等方面知识；同时，通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的技术基础。
1.1.2课题意义
在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。
因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。
尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
1.2发展史
早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。
第一次对交叉路口交通的控制尝试起源于1868年英国伦敦，当时由警察手工轮流变换指挥用的旗帜，当时的控制指令可以称之为旗语。
这种控制方式在1908年传到美国纽约，并且很快在全国传播开来。
城市电气化的发展导致了1914年在俄亥俄州的克利夫兰市出现了第一台电力驱动的交通信号灯。
1919年，纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。
在1923年，GarrettMorgan申请专利Morgan交通信号灯，后来卖给了通用电气公司。
到1932年，在布鲁克林市Parkside大街上的最后一个手动控制的旗子也被电机控制信号灯取代。
从1920年到1970年近50年的时间里，电机驱动的信号灯占据了交通信号控制系统的主要市场。
周期长度是通过安装合适的齿轮来进行保证的，通过在一个计时转盘上插入销子来把周期分成不同的时间间隔。
为了适应交通变化的需要，这种划分时间的方式被称为“三个时段”划分法。
同时为了保证相邻的交叉口能够在一个交通信号系统中以预计的信号周期、绿信比和相位差下工作，一种“七条线缆”连接的方式发展起来，以使相邻的电机驱动的信号灯能够在一种系统控制的方式下工作，即使现在我们步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用这种基于三个时段划分周期的信号控制器和七条线缆连接的系统。
甚至，大部分在电机驱动的系统中发展起来的术语到现在仍然在现代的微处理控制器中使用。
在20世纪60年代早期，计算机被引进到交通信号控制系统中。
在1963年，第一个计算机控制的交通信号控制系统在加拿大的多伦多市安装，到20世纪70年代，微处理器被普遍使用，相应的硬件和软件也开始起步。
现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，相信我们将来的交通一定是畅通而便捷的。
2总体方案
2.1系统任务
2.1.1设计任务
设计一个十字路口交通信号灯控制系统，控制车辆安全快速的通过。
2.1.2基本要求
为了确保车辆安全快速的的通行，在十字交叉路口的每个入口处设置红，绿，黄三种信号灯，并安装数字时间显示，来达到下列的基本要求：
1红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯亮表示未通过的车辆禁止通行；
2主干道、支干道交替通行，每次通行时间为40秒；
3每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒（此时另一干道上的红灯不变）；
4十字路口有数字显示，以方便人们直观把握时间。
时间显示以秒为单位作减记数；
5黄灯亮时，另一干道红灯按1Hz的频率闪烁。
2.2方案选取
2.2.1设计的基础依据
交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。
适用于十字、丁字等交叉路口。
它由控制电路进行控制，并指导车辆和行人安全有序地通行。
交通信号灯控制电路的设计方法很多，可由多种电路来构成，如数字逻辑电路，单片机电路，继电器接触器电路等。
在本设计中，采用数字逻辑电路控制系统，与其它两种电路相比，该电路具有价格低，设计思路简单，元件少，体积小，稳定性好，可靠性高的特点。
因此，在很多城市的交通信号灯控制系统中，均采用数字逻辑电路。
2.2.2方案比较
我国目前各大、中城市都更新替换了原始的交通信号灯，即不仅有灯的转换，而且增加了计时系统，为广大群众行驶提供了方便。
交通信号灯的设计方法很多，可由多种电路来构成，我们这里提供三种方案供选择：
方案1：
单片机系统控制方案
单片机是核心控制元件，包括微处理器、存储器、输入输出口及其他功能部件。
它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来。
通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。
硬件电路较为简单，主要用软件来控制，控制方式灵活多样，并可利用中断等方式通过程序方便的实现调时。
它的特点是用软件设计替代了硬件设计，提高了系统的可靠性和系统的性价比。
但在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难，维修亦较难。
方案2：
继电器接触器控制方案
继电接触式控制系统主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。
虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。
方案3：
数字逻辑电路控制方案
数字逻辑电路控制系统主要由各种逻辑元件构成，包括计数器、触发器以及各种门电路，硬件设计思路非常简单，造价低廉，元件少，体积小，稳定性好，可靠性和性价比都很高。
难点在于电路的连线复杂，维护起来比较困难。
2.2.3方案确定
根据前面的方案比较，最后选取方案3（数字逻辑电路控制方案）。
2.3系统可行性
前面几小节，从方案的选取到方案的论证，从各方案的具体比较筛选到选定方案所遇到的关键技术及所使用的解决方法，从多个方面对整个设计进行全方位的论证考验；理论值上对参数设计进行再三推算、对设计思想进行再三推敲，实践上用电子测量仪器对部分电路进行反复测试，综合各数据结果证明该设计系统性能稳定可行。
3系统设计
3.1系统结构框图
译码、显示主道信号灯支道信号灯
减法计数器状态译码器红灯闪烁控制
置数控制状态控制器秒脉冲发生器
图3-1交通信号灯控制系统结构框图
3.2系统工作原理
交通信号灯控制系统主要由状态控制器，状态译码器，秒脉冲发生器以及减法计数器组成。
状态控制器主要用于记录和控制十字路口交通灯的工作状态，它产生控制信号，通过状态译码器译码后，分别点亮相应的信号灯；秒脉冲发生器产生该系统的时基脉冲信号，通过减法计数器对秒脉冲减记数，达到控制每一种工作状态持续时间的目的；减记数到零时，产生回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统的下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值；减法计数器的状态经BCD译码器译码后，由数码管显示。
在黄灯亮时，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。
3.3系统各功能模块
3.3.1状态控制器
图3-2交通信号灯顺序工作流程图
主干道
主干道
主干道
主干道
图3-4交通信号灯状态装换图
3.3.2状态译码器
主、支干道上的红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。
它们之间的关系见如下真值表。
信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。
状态控制器输出
主干道信号灯
支干道信号灯
Q1
Q2
R（红）
Y（黄）
G（绿）
r（红）
y（黄）
G（绿）
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
根据真值表，可求出交通信号灯逻辑函数表达式为：
G=1：
主干道车道绿灯亮
Y=1：
主干道车道黄灯亮
R=1：
主干道车道红灯亮
g=1：
支干道车道绿灯亮
y=1：
支干道车道黄灯亮
r=1：
支干道车道红灯亮
在这里选择半导体发光二级管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出地电平时，点亮相应的发光二极管。
状态译码电路组成如图
图3-5交通灯状态译码电路
由译码器真值表中看出，黄灯亮时Q1必为高电平；而红灯点亮信号与Q1无关。
现利用Q1信号来控制一个三态门电路74LS245，当Q1为高电平时，将秒信号脉冲引入到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮其间闪烁；反之将其隔离。
红灯信号不受黄灯信号的影响。
3.3.3定时及显示系统
交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成40秒和5秒的定时任务。
该定时器由两片CD4029构成的二位十进制可预制减法计数器完成；定时状态由两片74LS48和两只LED数码管对减法计数器进行译码显示；预置到减法计数器的时间常数通过三片8路双向三态门74LS245来实现。
三片74LS245的输入数据分别接入40和5两个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号来控制不同74LS245的选通信号来实现。
例如：
当状态控制器在S1（Q2Q1=01）或在S3（Q2Q1=11）时，要求减法计数器按初值5开始记数，故采用S1、S2为逻辑变量而形成的控制信号Q1去控制输入数据接数字5的74LS245的选通信号。
由于74LS245选通信号要求低电平有效，故Q1经一级反向器后输出接相应的74LS245的选通信号。
同理，输入数据40的三态门74LS245的选通信号用主干道绿灯信号
与辅助控制器的主干道有人控制信号的或输出来控制。
所设计的定时系统电路图见下图3-6所示
图3-6交通灯定时及显示电路
译码显示电路由两片74LS248芯片（译码）、两片CD4029芯片（减计数）、三片74LS245芯片（预置数）和两个LED（共阴极，显示时间）组成。
同时，在本系统中，应用短导线将控制板的信号引至显示板上。
74LS48驱动能力有限，故实际用8个74LS48驱动东西南北四个方向共8个LED数码管。
74LS245只能为提供初始数用，它由三态门电路封装而成，当控制端为低电位时，初始化数值为事先设置好的数值。
3.3.4秒信号产生器
秒信号产生器的电路是利用555定时器组成的秒信号发生器。
NE555芯片有单稳态电路功能，可发生方波信号，可适当的选择电阻、电容，使其输出信号的周期为1秒。
图3-7秒信号发生器
T=0.7*（R1+2*R2）*C，
3.4系统电路原理图
4系统电路板装配与焊接
4.1引言
对系统进行原理设计之后，就应该根据设计原理画出系统的原理图、装配电路板并用电路板进行焊接，本设计用万用实验板进行焊接。
4.2装配电路板
电子产品的电气连接，是通过对元器件、零部件的装配与焊接来实现的。
安装与连接是按照设计要求制造电子产品的主要操作环节。
应该说，和电子工程技术的其它内容比较起来，安装与连接的技术并不复杂，因此往往不受重视。
但是，产品的装配过程是否合理，焊接质量是否可靠。
对整机性能的影响是很大的，也许你听说过，一些精密复杂的仪器因为一个焊点的虚焊，一个螺钉的松动而不能正常工作，甚至由于搬运，振动使某个部件脱落造成整机报废，所以，掌握正确的安装工艺与连接技术，对于电子产品的设计与研制、使用和维修都具有重要的意义。
4.2.1双列直插式集成电路的安装
根据集成电路不同的封装方式。
安装也有不同的方法和要求。
在集成电路中。
以塑料双列直插式（DIP）和塑料功率电路（TO-220）两种应用较为常见。
DIP器件一般采用专用插座进行安装，装配和焊接的规范程度，主要取决于印制板设计，制造的精度，因此比较容易掌握。
当然，这种集成电路也能直接插焊在印刷电路板上，直接插焊法虽然牺牲了可更换性，但却增加了可靠性并降低了成本，采用插座虽然方便。
但要花费购买插座的钱，并且接触的可靠性较差。
4.2.2元器件的装插
元件在印刷电路板的固定，可分为卧式和立式两种。
为使元件在印刷电路板上装配排列整齐并便于焊接。
在安装前通常采用手工和专用机械把元器件引线弯曲成一定的形状，按照板上元件孔位的尺寸要求，使弯曲成型的引线能方便的插入焊孔内。
为了避免损坏元件，必须注意：
1.引线弯曲的最小半径不得小于引线直径的2倍，不能打死弯。
2.引线弯曲处距元器件本体至少在2MM以上，绝对不能从引线的根部开始弯折，装配时，应该先安装那些需要机械固定的元件。
如功率器件的散热器、支架、夹子等，然后再安装靠焊接固定的元件。
各种元件的安装，应该使它们的标记（用色码或字符标住的数值、精度等）朝上或朝着易于辨认的方向，并且注意标记的读数方向一致（从左到右或从上到下）；卧式安装的元件，尽量使两端引线的长度相对对称，把元件放在两孔中央，排列要整齐。
有极性的元件，装插时要注意方向正确。
4.3焊接
焊接是制造电子产品的重要环节。
如果没有相应的工艺质量保证，任何一个设计精良的电子装置都难以达到设计指标。
在科研开发、设计研制、技术革新的过程中，不可能也没有必要采用自动设备，所以经常需要进行手工装焊。
本设计选用功率为30W的电烙铁。
功率过低焊接所需时间较长且容易发生虚焊，功率过高焊接不好控制。
焊接开始先将主要的元件焊接好，如芯片底座、放大管等，再将电阻电容等元件固定好再进行焊接。
4.3.1焊锡必须具备的条件
1.焊件必须有良好的可焊性；
2.焊件表面必须保持清洁；
3.要使用合适的助焊剂；
4.焊件加热到适当的温度。
4.3.2有机注塑元件的手工焊接
现在，大量的各种有机材料广泛应用在电子元器件。
零部件的制造中，这些材料通过注塑工艺可以被制成各种形状复杂，结构精密的开关和接插件等，成本低，精度高，使用方便，但最大的弱点是不能承受高温，在对这类元件的电气接点施焊时，如果不注意加热时间，极容易造成塑性变形，导致零件失效或降低性能，造成故障隐患。
正确的焊接方法是：
1.在元件预处理时尽量清理好接点，一次镀锡成功特别是将元件放在锡锅中浸镀时，更要掌握好浸入深度和时间；
2.焊接时，烙铁头要修整的尖一些，以便在焊接时不碰到相邻接点；
3.非必要时，尽量不使用助焊剂；必须添加时，要尽量少用助焊剂，以防止浸入电接触点；
4.烙铁头在任何地方上均不要对接线片施加压力，避免接线片变形。
4.3.3其它元件的焊接
1电阻
电阻采用常见的色环标注阻值，即棕、红、橙、黄、绿、蓝、紫、灰、白、黑标注，代表数字1、2、3、4、5、6、7、8、9、0，金色环代表电阻值误码差精度。
例如，一电阻色环为红、紫、红、金，应读为272或读为2700Ω（2K7）。
误差为±2%。
应用前，电阻阻值要用数字三用表检测，检查阻值是否正确。
焊接电阻时，要注意保持使电阻和电路板之间有一定的间距，以保证电阻有一定的散热空间。
2电容
电容器主要有瓷片电容和电解电容等。
每种电容的电量均标注在电容器表面，常见的标注方式有xxμF、xxn或直接用数字标注。
电解电容，一般容量范围是1～4700μF。
瓷片电容，一般容量范围是1pF～0.47μF.
例如，有一电容，标注值为10N，它的实际容量为0.01μF（1N=1000pF），同时也可以标注为103，它的前两位数为有效数，第三位数为有效零位数，即103=10000pF，它和10N是等价的。
电容在焊接前，必须要经过三用表测量，以保证电容没有出现短路故障，然后再使用电容表测量其容量，确认容量正确后再安装使用。
一般电容的容量精度为±5%为合格品。
电解电容的容量误差值一般要大一些，误差值为±8%～±10%为合格品。
焊接电容时，一般要求紧靠电路板焊接。
3二极管
二极管在本设计中的应用主要是发光二级管（LED），使用前必须串接相应的电阻进行加电测试，确认性能良好后才能焊接。
由于二极管属于PN结器件，它的结温一般不允许超过175℃，否则将造成损坏，所以焊接时要注意尽量减少加热时间，一般不得大于10s。
5系统性能调试
1调试秒脉冲信号发生器。
加电检查线路，如能正常工作，即能输出信号脉冲。
2调节状态译码器、信号灯的工作，把已调节好的秒脉冲信号接入控制器，使控制器开始工作，检查各信号灯是否正常工作（各信号灯的亮灭情况及交换次序，Q2、Q1输出是否为二位二进制减记数关系），红灯的闪烁是否正常。
3调节减法计数器和数字显示系统，把秒脉冲信号直接接入减法计数器，检查数字显示是否正确（各个数字是否能正常显示和显示次序是否正确）。
4调节各置数器，把置数器和减法计数器连接好，并接入秒脉冲信号至减法计数器。
把其中一个置数器的控制端接低电平另两个置数器接高电平，看其置数是否正确，用同样的方法检查另外两个置数器的置数。
6系统常见故障分析
了解一些常见的故障对于正确快速地调试系统是很有必要的。
对这些故障的处理是对一个系统设计者的综合考验，它不但要求对硬件电路容易出现的故障有很好的了解，而且对整个系统的设计更要有一个深刻的认识。
下面按错误类型来简单分析一下系统常见的一些故障，这节其实也是对前面的一些分析的总结。
1工艺错误。
焊接中出现的错误有虚焊、漏焊、错焊等等，同时焊接技术对系统是否能够调试成功有较大的影响，如在高速系统中，焊点有毛刺从而带来系统分布电容过大，将会对系统的性能有较大的影响。
2不加电。
在设计系统时设计了一个电源信号指示灯，若电源信号指示灯不亮，那么说明系统的电源工作有问题。
3元器件错误。
这类错中主要包括器件错焊、错插以及元器件已损坏等现象。
在调试一个模块的时候，我们要时刻注意元器件的情况，以避免元器件损坏。
当我们发现模块中的某一个模块的某个元器件过热的时候，我们就应对这个元器件进行测试，是否损坏。
4设计的错误。
这类错误主要在设计的阶段发现，在系统设计时，应该对设计方案精益求精，对设计原理进行反复推敲，以发现系统的设计错误。
当然这类错误也可能在调试过程中才发现，若发现实际值跟理论值出现较大出入而又找不到其他的原因，这个时候就应该对系统原理再进行分析。
5输出的电平不稳定。
这种错误也是常见的，有些对读取的数据电平有一定的要求，当不符合时就不能读取，而且不易给发现，用电表很难判断，这时往往需要加些门电路上去。
7使用说明
7.1概述
交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。
适用于十字、丁字等交叉路口。
它由控制电路进行控制，并指导车辆和行人安全有序地通行。
本设计采用数字逻辑电路控制系统，硬件设计思路简单，元件少，可靠性高，造价低廉。
7.2器件检查
打开包装盒取出器件，请仔细检查下列附件是否缺少或损坏，如发现有任何一项缺少或损坏，请即与本人联系。
*使用说明书一本
*盒装器件完整一套
7.3注意事项
1．本产品使用直流电源为5V电压，切记不要使用其它量程来驱动。
2．不要在高温、高湿、易燃、易爆和强电磁场环境中存放或使用本器件。
3．请勿随意改变器件内部以及外部接线，以免损坏器件。
7.4基本功能
1红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯亮表示未通过的车辆禁止通行；
2主干道、支干道交替通行，每次通行时间为40秒；
3每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒（此时另一干道上的红灯不变）；
4十字路口有数字显示，以方便人们直观把握时间。
时间显示以秒为单位作减记数；
5黄灯亮时，另一干道红灯按1Hz的频率闪烁。
7.5操作说明
打开电源开关，电源指示灯亮。
这时，主干道的绿灯亮，支干道的红灯亮。
数码显示器从预置的40秒开始倒计时，每秒减1，减到5时，主干道的绿灯转换为黄灯，这时支干道的红灯则按1Hz的频率闪烁，其余灯都不变。
减到数1时，1秒后显示器又转换成预置的40秒，主干道的黄灯转换为红灯，支干道的红灯转换为绿灯……如此循环下去。
8系统设计展望
虽然这个系统基本地完成了毕业设计的任务，但是作为一个系统，在设计任务完成之后我依旧在思索，这个系统在什么地方还可以改进呢？
如果要将这个系统继续完善的话，该如何继续这个系统的设计任务呢？
当然成本就可能远远地超出原有的设计，本设计是交通信号灯控制电路的设计，但我们不应该满足于此。
在现代及未来的交通管理中，对交通信号灯的要求也越来越高。
对系统设计的展望，我们可以设计一个智能交通信号灯控制系统，该系统可以利用传感器来检测十字路口的交通情况，然后自动调整红绿灯的显示时间。
这样，便提高了交通系统的效率，并能有
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